DE19649967C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Stahlfasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von kurzen Stahlfasern durch Abscheren von schmalen Materialstücken aus einem flachen, insbesondere bandförmigen Vormaterial als Verstärkungsmaterial für aushärtbare Massen, insbesondere für Faserbeton, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der DE 43 15 270 A1 ist die Herstellung von stahlfaserverstärktem Beton bekannt, bei der Stahlfasern mit einer kaltverfestigten metallografischen Struktur verwendet werden, wobei Ausgangsprodukt ein drahtförmiges Vormaterial ist.

Aus der DE 34 35 850 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die zur Herstellung von Stahlfasern aus einem draht- oder bandförmigen Vormaterial geeignet ist. Das Vormaterial weist im Querschnitt dieselben Abmessungen auf, wie die erzeugten Stahlfasern, da sie lediglich abgelängt, also durch einen Schnitt quer zur Längsachse der Fasern voneinander getrennt werden. Zur Verbesserung der Haftung im Beton werden diese Stahlfasern beim Ablängen entlang ihrer Längsachse so gebogen, daß sie eine im wesentlichen wellenförmige Verlaufsform bekommen. Die Zugfestigkeit derartiger Stahlfasern entspricht derjenigen des verwendeten Vormaterials.

Aus der EP 0 130 191 B1 sind Stahlfasern mit ebenfalls welliger Form und rundem Querschnitt bekannt, die eine sehr hohe Zugfestigkeit von über 1000 N/mm² aufweisen. Diese Fasern werden aus einem Draht hergestellt, der von vornherein diese hohe Zugfestigkeit besitzt.

Aus der DE 43 14 008 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Stahlfasern bekannt, bei der ein gegenüber der Länge der gewünschten Fasern schmaleres Stahlband als Vormaterial eingesetzt wird, das durch Abscheren schmaler Materialstückchen zerteilt wird. Die Dicke des Vormaterials entspricht der gewünschten Faserdicke. Im Unterschied zu den beiden zuvor erwähnten Stahlfaserarten, die durch quer zur Faserrichtung verlaufende Trennvorgänge vom Vormaterial abgelängt werden, erfolgt die Faserherstellung hierbei durch Abscheren in Längsrichtung der einzelnen Fasern und bezogen auf das Vormaterials schräg zu dessen Längsachse. Die Zugfestigkeit der erzeugten Stahlfasern entspricht der des eingesetzten Vormaterials.

Je nach den vorgesehenen technischen Anforderungen in den Einsatzfällen, bei denen die Stahlfasern verwendet werden sollen, müssen an die Zugfestigkeit der Stahlfasern entsprechende Anforderungen gestellt werden. In vielen Fällen wird eine Zugfestigkeit von mindestens 600 N/mm² gefordert. Bei der Verwendung von drahtförmigem Vormaterial ist die Einhaltung dieser Forderung problemlos zu gewährleisten. Wenn die Stahlfaserherstellung jedoch auf dem Einsatz von bandförmigem Vormaterial basiert, bedeutet dies, daß entsprechend hochwertiges Stahlband mit einer Zugfestigkeit von mindestens 600 N/mm² verwendet werden muß. Die Kosten für ein solches Vormaterial sind vergleichsweise hoch.

Um die Kosten für derartiges Vormaterial möglichst niedrig zu halten, ist in der DE 43 14 008 A1 der Einsatz von Abfallmaterialien vorgesehen, die z. B. auf der Besäumung von qualitativ hochwertigem Bandmaterial stammen können oder Reste aus der Spaltbandproduktion darstellen. Dadurch daß der Abschervorgang bei der Produktion der Stahlfasern in einem schrägen Winkel zur Längsrichtung des Vormaterials erfolgt, kann die Länge der erzeugten Stahlfasern auf den jeweils gewünschten Wert eingestellt werden, obwohl die Breite des Vormaterials geringer ist als die Länge der zu erzeugenden Stahlfasern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen anderen Weg zur Herstellung von Stahlfasern sowie eine dazu geeignete Vorrichtung vorzuschlagen, bei dem ebenfalls der Einsatz von kostengünstigem Vormaterial möglich ist und dennoch Stahlfasern erzeugt werden, die eine vergleichsweise hohe Zugfestigkeit aufweisen.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 10. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Merkmale des Patentanspruchs 11 auf. Durch die Merkmale der Unteransprüche 12 bis 15 ist diese Vorrichtung in vorteilhafter Weise weiter ausgestaltbar.

Die Erfindung sieht vor, die Stahlfasern in einer ähnlichen Weise wie bei dem aus der DE 43 14 008 A1 bekannten Verfahren aus einem flachen Vormaterial durch Abscheren von schmalen Materialstücken herzustellen. Die einzelnen Stahlfasern werden also nicht durch Ablängen von einem im Querschnitt bereits dem Faserquerschnitt entsprechenden Vormaterial erzeugt, sondern durch Abscheren über die gesamte Faserlänge. Im Unterschied zu dem bekannten Verfahren wird jedoch nicht auf ein Vormaterial zurückgegriffen, dessen Dicke bereits der Dicke der herzustellenden Fasern entspricht. Vielmehr wird ein bandförmiges oder ggf. auch stabförmiges Vormaterial eingesetzt, dessen Dicke erheblich größer ist als die Faserdicke. Der Unterschied muß mindestens 20% betragen und ist im Regelfall sogar noch erheblich größer. Beispielsweise kann die Dicke des Vormaterials im Bereich des 1,5- bis 3-Fachen betragen oder auch noch deutlich darüber liegen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das für eine Faserherstellung durch einfaches Abscheren viel zu dicke Vormaterial durch eine Kaltverformung unmittelbar vor dem Abscheren auf die erforderliche Dicke zu reduzieren. Diese Kaltverformung muß mindestens 20% betragen. Die Bedeutung der Kaltverformung liegt aber nicht allein in der Dickenreduzierung. Vielmehr wird durch die Erfindung bewußt der Effekt der mit einer Kaltverformung einhergehenden Kaltverfestigung genutzt, um Stahlfasern mit möglichst hoher Zugfestigkeit zu erzeugen. Aus diesem Grunde ist es möglich, Vormaterial einzusetzen, dessen Zugfestigkeit deutlich unter 600 N/mm² liegen darf und das daher vergleichsweise kostengünstig beziehbar ist, obwohl die Stahlfasern selbst eine Zugfestigkeit von über 600 N/mm² aufweisen sollen. Das Vormaterial wird hinsichtlich seiner Zugfestigkeit und Dicke so ausgewählt, daß bei der Dickenreduzierung auf die für die Faserherstellung notwendige Größe ein ausreichender Kaltumformgrad vorliegt, der eine nachhaltige Zugfestigkeitssteigerung in ausreichendem Maße mit sich bringt, so daß die Festigkeitsstufe von mindestens 600 N/mm² sicher erreicht wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Kaltverformung von mindestens 20% unmittelbar vor dem Abscheren stattfindet. Dies kann beispielsweise durch ein Kaltwalzen geschehen. In besonders bevorzugter Ausführung der Erfindung wird die Kaltumformung ganz oder teilweise durch Hämmern vorgenommen. Dies hat den Vorteil, daß das Hämmern im Gleichtakt mit der reversierenden Bewegung des Scherwerkzeugs erfolgen kann. Es ist aber auch möglich aber weniger bevorzugt, daß Hämmern und das Abscheren in getrennt voneinander ablaufenden Vorgängen innerhalb einer gemeinsamen Produktionslinie stattfinden zu lassen. Wenn sich die Dicke des eingesetzten Vormaterials stärker von der gewünschten Faserdicke unterscheidet, empfiehlt es sich, das Hämmern jeweils in mehreren zeitlich und örtlich unmittelbar hintereinanderliegenden Stufen während des Arbeitstaktes des reversierenden Abschervorgangs stattfinden zu lassen. Der zeitliche Versatz zwischen den einzelnen Hämmerstufen ist zweckmäßig, weil sich der Materialfluß mit abnehmender Materialdicke von Stufe zu Stufe naturgemäß beschleunigt und es daher zu unerwünschten Materialaufstauchungen kommen würde, wenn der Materialfluß durch gleichzeitiges Hämmern in allen Hämmerstufen behindert würde. Daher sollte auch der eigentliche Abschervorgang während des Arbeitstaktes außerhalb der Phase des Hämmerns liegen.

Um die Verformungsarbeit bei der Kaltverformung in vernünftigen Grenzen zu halten und den Materialfluß zu erleichtern, kann es zweckmäßig sein, vor und/oder zwischen einzelnen Hämmerstufen eine Weichglühung vorzunehmen. Auf jeden Fall muß aber gewährleistet bleiben, daß zumindest mit der letzten Hämmerstufe eine Verformung um mindestens 20% stattfindet, damit die beabsichtigte Festigkeitssteigerung hinreichend erzielt wird. Eine solche Weichglühung kann insbesondere dann empfehlenswert sein, wenn außerordentlich dickes Vormaterial eingesetzt wird, das vor der Dickenreduzierung durch Hämmern zunächst einer vorgeschalteten Dickenreduzierung durch Kaltwalzen unterzogen wird. Die Weichglühung kann beispielsweise vor dem Hämmern stattfinden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn für das Hämmern in der letzten Hämmerstufe ein Hammerwerkzeug verwendet wird, dessen Arbeitsfläche eine Oberflächenprofilierung aufweist. Auf diese Weise ist es nämlich möglich, dem Vormaterial unmittelbar vor dem Abscheren eine Oberflächenstrukturierung aufzuprägen, die sich dann auf den entsprechenden Seitenflächen der erzeugten Stahlfasern wiederfindet. Diese Oberflächenstrukturierung, die beispielsweise die Form eines Rändelmusters aufweist, verbessert die Haftfähigkeit der Stahlfasern und damit deren Verankerung im Matrixwerkstoff.

Anhand der in den Figuren dargestellten unterschiedlichen Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird die Erfindung nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit mehreren Hammerwerkzeugen,

Fig. 2 eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit zusätzlicher Glühvorrichtung und vorgeschaltetem Kaltwalzwerk und

Fig. 3 eine Abschervorrichtung mit Kaltwalzwerk zur Dickenreduzierung des Vormaterials.

Die in Fig. 1 in einer Seitenansicht dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein Maschinengestell 9 auf. Ein Werkzeughalter 1 läßt sich mittels eines Exzenterantriebs 8 reversierend auf- und abwärts bewegen. Im dargestellten Beispiel sind an dem Werkzeughalter 1 zwei Scherwerkzeuge 2a, 2b befestigt. Diese sind nicht nur in Zuführrichtung des Vormaterials 4, sondern auch quer zu der Zuführrichtung versetzt zueinander angeordnet. Durch stanzende Bewegungen der beiden Scherwerkzeuge wird das Vormaterial 4, das eine der Gesamtbreite der beiden gegeneinander versetzten Scherwerkzeuge 2a, 2b entsprechende Breite aufweist, wenn es den Arbeitsbereich der Scherwerkzeuge 2a, 2b erreicht, zerkleinert. Seine Dicke entspricht an dieser Stelle der Dicke der herzustellenden Stahlfasern, die nach unten seitlich über eine Rutsche 10 in einen Behälter 11 aus der Vorrichtung herausgefördert werden.

Wie der Fig. 1 deutlich zu entnehmen ist, weist das eingesetzte Vormaterial 4 eine Dicke auf, die wesentlich größer ist als die Dicke der herzustellenden Stahlfasern. Das band- oder stabförmige Vormaterial 4 wird der Vorrichtung über ein Treibrollenpaar 3 in einer intermittierenden Vorschubbewegung, die an den Arbeitstakt der Scherwerkzeuge 2a, 2b angepaßt ist, zugeführt. Bevor das Vormaterial 4 den Arbeitsbereich der Scherwerkzeuge 2a, 2b erreicht, wird es durch eine Kaltumformung, die durch ein mehrstufiges Hämmern vorgenommen wird, in seiner Dicke auf die gewünschte Faserdicke reduziert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier Hammerwerkzeuge 5a bis 5d vorgesehen. Die Hammerwerkzeuge sind ebenfalls mit dem Werkzeughalter 1 gekoppelt, werden also von diesem mitbewegt. Es empfiehlt sich, die einzelnen Hammerwerkzeuge 5a bis 5d hinsichtlich ihrer Bewegung mit einem zusätzlichen Freiheitsgrad zu versehen, damit ihre Arbeitsbewegung zeitlich zueinander jeweils versetzt während eines Arbeitstaktes des Werkzeughalters 1 ablaufen kann. Dies könnte beispielsweise dadurch realisiert werden (nicht dargestellt), daß die einzelnen Hammerwerkzeuge 5a bis 5d mit dem Werkzeughalter gemeinsam hochgehoben und dann während der Abwärtsbewegung des Werkzeughalters 1 nacheinander in Arbeitskontakt mit dem Vormaterial kommen, wobei der Arbeitskontakt eines Hammerwerkzeugs jeweils beendet wird, wenn das unmittelbar benachbarte Arbeitswerkzeug in Arbeitskontakt gelangt. Dies könnte etwa durch eine Entriegelung in der Befestigung der einzelnen Hammerwerkzeuge 5a bis 5d geschehen, so daß das einzelne Hammerwerkzeug z. B. gegen eine Federkraft in den Werkzeughalter 1 hinein zurückweichen kann, während der Werkzeughalter 1 sich seinem unteren Totpunkt nähert.

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von der Fig. 1 lediglich dadurch, daß zusätzlich zu der Kaltverformung durch Hammerwerkzeuge 5a bis 5d zur stärkeren Dickenreduzierung vorab eine Kaltverformung in einer aus vier Walzenpaaren 7a bis 7d bestehenden Kaltwalzeinrichtung vorgesehen ist, wobei zwischen dem Kaltwalzen und der Dickenreduzierung durch Hämmern eine Weichglühung in einer Glühvorrichtung 6 stattfindet. Diese Glühvorrichtung 6 weist zweckmäßigerweise eine induktive Wärmequelle auf.

In Fig. 3 wird zur Erzeugung der Stahlfasern eine im Prinzip hinsichtlich des Abschervorgangs gleichartige Stanzvorrichtung verwendet. Im Unterschied zu Fig. 1 wird hierbei die Kaltverformung allein durch ein Kaltwalzwerk bewirkt. Um die zu erzeugenden Stahlfasern mit einer profilierten Oberfläche zu versehen, könnte man das in Vorschubrichtung letzte Walzenpaar 7a mit einer entsprechenden Profilierung in der Oberfläche ausstatten. Wenn, wie in Fig. 1 und Fig. 2, die letzte Kaltumformungstufe durch Hämmern vorgenommen wird, kann in entsprechender Weise die Arbeitsfläche des letzten Hammerwerkzeugs 5a ebenfalls profiliert werden.

Mit der vorliegenden Erfindung wird es möglich, unter Verwendung von vergleichsweise kostengünstig beziehbarem Vormaterial, das eine für die Stahlfaserherstellung zu geringe Ausgangszugfestigkeit besitzt, hochwertige, also eine hohe Zugfestigkeit aufweisende Stahlfasern herzustellen. Der dazu erforderliche vorrichtungsmäßige Aufwand ist relativ gering. Durch die ohnehin stattfindende Kaltverformung ergibt sich der besondere Vorteil, die erzeugten Stahlfasern mit einer Oberflächenprofilierung zu versehen, die zu hervorragenden Eigenschaften hinsichtlich der Verankerung der Stahlfasern im Matrixwerkstoff führt.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung von kurzen Stahlfasern durch Abscheren von schmalen Materialstücken aus einem flachen, insbesondere bandförmigen Vormaterial als Verstärkungsmaterial für aushärtbare Massen, insbesondere für Faserbeton, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormaterial eine Dicke aufweist, die wesentlich über der Dicke der zu erzeugenden Stahlfasern liegt und daß das Vormaterial vor dem Abscheren zur Dickenreduzierung auf die für die Stahlfasern gewünschte Faserdicke einer Kaltverformung mit einem Verformungsgrad von mindestens 20% unterzogen wird, wobei die Kaltverformung ganz oder teilweise durch Hämmern erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hämmern im Gleichtakt mit dem Abschervorgang erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hämmern und das Abscheren in getrennt voneinander ablaufenden Vorgängen innerhalb einer gemeinsamen Produktionslinie stattfindet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hämmern in einem Arbeitstakt jeweils in mehreren, zeitlich und örtlich unmittelbar hintereinander liegenden Stufen erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor und/oder zwischen einzelnen Hämmerstufen eine Weichglühung erfolgt, wobei der Verformungsgrad in der letzten Hämmerstufe auf mindestens 20% eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der letzten Hämmerstufe zur Erzeugung einer rauhen, haftungsverbessernden Oberfläche der Stahlfasern dem Vormaterial eine Oberflächenstrukturierung aufgeprägt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Vormaterial ein Stahlhalbzeug eingesetzt wird, dessen unter 600 N/mm² liegende Zugfestigkeit und Dicke so aufeinander abgestimmt sind, daß die durch die Kaltverformung bewirkte Kaltverfestigung zu einer dauerhaften Steigerung der Zugfestigkeit in den erzeugten Stahlfasern auf über 600 N/mm² führt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Hämmern eine Dickenreduzierung durch Kaltwalzen erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormaterial zwischen dem Kaltwalzen und dem Hämmern weichgeglüht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Weichglühung durch induktive Erwärmung erfolgt.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem reversierend bewegten Werkzeughalter (1) für mindestens ein Scherwerkzeug (2a, 2b) und mit einer Zuführeinrichtung (Treibrollenpaar 3) für ein flaches Vormaterial (4), dadurch gekennzeichnet,
daß in einer zusammenhängenden Produktionslinie dem Schwerwerkzeug (2a, 2b) eine Kaltumformeinrichtung zur Dickenreduzierung des Vormaterials (4) vorgeschaltet ist und
daß der Werkzeughalter (1) als Kaltumformeinrichtung mit mindestens einem Hammerwerkzeug (5a, b, c, d) bestückt ist, das - in Materialzuführrichtung gesehen - unmittelbar vor dem Scherwerkzeug (2a, b) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere hintereinander angeordnete Hammerwerkzeuge (5a, b, c, d) vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das letzte, unmittelbar vor dem Scherwerkzeug (2a, b) angeordnete Hammerwerkzeug (5a) in seiner Arbeitsfläche eine Profilierung zur Aufprägung einer Oberflächenstruktur auf das Vormaterial (4) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor und/oder zwischen einzelnen Hämmerstufen eine Vorrichtung (6) zur Weichglühung des Vormaterials (4) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß vor der oder den Hämmerstufen eine Kaltwalzvorrichtung (7a, b, c, d) angeordnet ist.